最近几年，数据中心能耗问题已经变得越来越严重，有可能还会继续恶化。据ＥＰＡ 估算，２００６年美国所有数据中心全年支付的总电费为４５亿美元，并预测，２０１１年这一数据将达到７４亿美元。
同时，服务器和交换机的规模越来越小，但其能耗却大幅增加。１９９８年，机架服务器每个机架的功率在５０００ Ｗ 左右，而到２００６年则增至３２０００ Ｗ，根据ＡＳＨＲＡＥ 预测，到２０１４ 年，每个机架的功率将增至４２０００ Ｗ。服务器数量和功率的急剧增加必然会导致冷却和辅助设备的增加，从而使能耗形势更加严峻。ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙ 国家实验室调查显示，一个典型的数据中心能耗比例为：１）ＩＴ 设备（服务器、交换机、路由器等）占４４％；２）制冷设备（机房精密空调、风机）占３８％；３）电源设备（ＵＰＳ、ＳＰＭ 等）占１５％；４）照明占３％。从中不难看出制冷设备的耗电量仅次于ＩＴ 主设备的耗电量。
面对“能源危机”，现在所有数据中心都在采用新技术提高空调能效，对空调系统进行精确控温和气流组织，此外，超过１０％ 的数据中心采用了空气冷却或者水冷的节能装置ＡＳＨＲＡＥＳｔａｎｄａｒｄ９０也要求美国一些地区数据中心采用自然冷却节能装置，尤其是那些气候比较凉爽的西部和东北部地区。利用自然空气冷却的研究包括直接引入新风式节能系统和隔离式新风热交换系统，隔离式新风热交换系统主要有板式换热器和热管换热器２种。直接引入新风式节能系统受地域影响较大，适宜气候凉爽且空气品质较高的地区。而板式换热器受结构和传热形式的限制，实测显热温度效率并不高。热管换热器受地域影响较小，且有较高的温度效率，能够达到冷却的目的。目前对ＩＤＣ 机房中热管换热器的应用虽有所提及，但对相关的围护结构散热以及热管换热器与总能耗的定量研究很少。
笔者所在课题组自主研制了利用自然冷源的热管换热器，将其用于ＩＤＣ 机房的散热，并对北京地区冬季工况下，热管换热器和空调各自的散热特性和能耗负荷进行了试验研究，对ＩＤＣ 机房围护结构的散热进行了计算。
１ 试验系统与仪器
以北京某实际机房为例，如图１（ａ）所示，其尺寸为３．７５ｍ×２．８ｍ×２．９ ｍ。主要设备包括通信机柜、空调柜机、蓄电池组和配电箱等。试验根据实际机房内的设备布置，搭建ＩＤＣ 机房模型，机房模型内设备布置如图１（ｂ）所示。ＩＤＣ 机房模型尺寸：３ｍ（长）×１．８ ｍ（宽）×２．９ ｍ（高），墙体采用９５０型聚苯夹芯钢板，板总厚１００ ｍｍ，钢板厚度０．８ｍｍ，夹芯材料容重为１８ｋｇ／ｍ３。
机柜单元采用自制模拟电子发热模块，额定电功率为１．１ｋＷ，依照实际机柜的气流方向，通过风扇和风道将热量散出。利用自然冷源的热管换热器为课题组自主研制的散热设备，其额定换热量为１ｋＷ，外形尺寸为７５０ｍｍ×３２０ｍｍ×２９０ｍｍ，中间用隔板完全隔开，均分为等截面的两部分。换热器芯体中，热管元件采用标准规格的紫铜管，内部充灌一定量的液体工质封制而成，正三角错排。与水平位置呈一定倾斜角度放置，室内外两侧风道分别安装风机一台，风机总名义功率为６０ Ｗ。与目前应用较多的铝氨热管换热器相比，自主研制的该热管换热器工质具有环保、高效、无毒、安全的特点，管材的导热系数为原有铝材的２～３ 倍，且密封良好，不会发生泄漏，经国家空调设备质量监督检验中心检测，其温度效率高于常规铝－ 氨热管换热器。空调器采用ＫＦＲ ３２ＧＷ／Ｙ 型产品，其额定制冷量为３２００ Ｗ，额定功率为１１９０ Ｗ。
功率为１．１ｋＷ，依照实际机柜的气流方向，通过风扇和风道将热量散出。利用自然冷源的热管换热器为课题组自主研制的散热设备，其额定换热量为１ｋＷ，外形尺寸为７５０ｍｍ×３２０ｍｍ×２９０ｍｍ，中间用隔板完全隔开，均分为等截面的两部分。换热器芯体中，热管元件采用标准规格的紫铜管，内部充灌一定量的液体工质封制而成，正三角错排。与水平位置呈一定倾斜角度放置，室内外两侧风道分别安装风机一台，风机总名义功率为６０ Ｗ。与目前应用较多的铝氨热管换热器相比，自主研制的该热管换热器工质具有环保、高效、无毒、安全的特点，管材的导热系数为原有铝材的２～３ 倍，且密封良好，不会发生泄漏，经国家空调设备质量监督检验中心检测，其温度效率高于常规铝－ 氨热管换热器。空调器采用ＫＦＲ ３２ＧＷ／Ｙ 型产品，其额定制冷量为３２００ Ｗ，额定功率为１１９０ Ｗ。
图１ IDC机房内设备布置图
试验对热流量、温度、电功率等参数进行了数据采集，热流量的测试采用ＪＴＲＧ Ⅱ型建筑热工温度与热流自动测试系统，其精度≤±５‰，分辨率为０．１ Ｗ／ｍ２，数据采集时间间隔设定为１ｍｉｎ，热流测点工６个，通过对墙体的红外成像分析，将热流板分别布置在６面的适当位置，并加以固定。电功率参数采用ＡＮＡＬＹＳＴ３Ｐ 型电功率分析仪，其数据采集时间间隔设定为１ｍｉｎ，电功率分析仪主要用来测量空调启停时的逐时功率，从而得到一定时间内空调的总能耗。温度参数采用ＤＸ２３０１２型温度巡检仪，其数据采集时间间隔为２ｓ，温度测点共６个，分别用于测量ＩＤＣ 机房室内温度、室外温度以及热管换热器进出口气流温度。
２ 结果分析与讨论
２．１ 基础室温
在ＩＤＣ 机房中不采用空调、换热器等任何其他散热设备，仅仅依靠墙体围护结构散热，在这样的条件下形成的室内温度，称之为ＩＤＣ 机房的基础室温，为了对ＩＤＣ 机房的基础室温有一个直观量化的概念，在２０１０年１月１３日１６：４７至２０１０年１月１４日１６：４７这一时间段内对ＩＤＣ机房的基础室温和室外温度进行了测量，其２４ｈ内的温度变化如图２所示。
图２ ＩＤＣ机房基础室温变化图
从图２中可以看出，２４ｈ内，ＩＤＣ 机房在没有其他任何散热设备的情况下，仅依靠围护结构对外散热，其室内温度与室外温度的变化趋势基本一致，室内温度随室外温度的降低而降低，随室外温度的升高而升高，且室内外温差基本保持不变。
即使在全天气温均低于０℃这样的典型冬季工况下，仅依靠围护结构的散热，ＩＤＣ 机房的室内温度依然超过了３０℃，平均为３２．７℃，最高温度达到３７．８℃，而室内外温差高达３０℃ 以上。由此可见，仅仅依靠围护结构的散热，即使在冬季寒冷工况下，依然无法满足ＩＤＣ 机房内的散热需求。
２．２ 围护结构散热
在ＩＤＣ 机房中，开启空调器进行散热，空调器设定温度为２５℃，在２００９年１１月１５日２０：５１２００９年１１月１７日２０：５１连续的４８ｈ时间内对其散热特性和能耗进行试验研究。试验过程中ＩＤＣ 机房室内外温度变化以及围护结构散热量的变化趋势如图３所示。
图３ IDC机房室内外温度和围护结构散热量
从图３中可以看出，室内温度基本维持在２５℃不变，室外温度随天气变化而变化，围护结构的散热量在０．１８～０．２５ｋＷ 范围内，其平均散热量为０．２１４ｋＷ，相对于总散热量１．１ｋＷ 而言，约占总散热量的１９．５％。图４ 给出了ＩＤＣ 机房空调器能耗的逐时变化趋势。从图４ 中可以看出，４８ｈ 内空调能耗功率呈波状起伏，原因在于随着室内温度的波动，要维持恒定温度，空调器不断启停，使得其电流值也在零上不断波动，从而造成空调功率随时间变化出现波状起伏。通过对空调器逐时能耗功率的统计计算，得到４８ ｈ 内空调器的总能耗为７０７４．７２ Ｗｈ，平均每天耗能约为３．５ｋＷｈ。
图４ 空调逐时功率
２．３ 利用自然冷源散热
对于ＩＤＣ 机房，因为设备不间断运行，需要制冷的时间较长，有些地区甚至全年需要制冷，所以空调负荷能耗巨大。在全年的过渡季节和冬季寒冷的时间，利用空气中的自然冷源进行降温，可减少空调的运行时间，达到节能降耗的目的。利用ＤｅＳＴ 软件建立ＩＤＣ 机房模型，考虑到ＩＤＣ 机房的特点，忽略人员得热以及照明和开关门时造成的冷量渗漏，设定室内温度控制在１８～２５℃，湿度保持在４０％～７０％，对北京地区ＩＤＣ 机房利用热管换热器散热进行模拟研究，热管换热器正常工作的启动温度设定为３℃，可以得到北京地区全年可节能约４７％，节能效果非常明显。
因此在ＩＤＣ 机房中，安装了自主研制的热管换热器，充分利用室外冷空气这一自然冷源，对ＩＤＣ机房进行降温散热，并在２０１０ 年１ 月１６ 日２２：４７至２０１０年１月１８日２１：４７共计４７ｈ时间内对热管换热器的散热特性进行了试验研究。在试验过程中，安装了热管换热器的ＩＤＣ 机房的室内外温度以及室内外温差如图５所示。
图５ 利用自然冷源时IDC机房的室内外温度及温差
从图５中可以看出，随着室外温度的变化，室内温度也会发生相应的变化，这是因为室外温度的变化会影响围护结构散热的多少，同时室外温度的变化对热管换热器的实际换热量也有影响，使得实际散热量随室外温度的变化而变化，从而进一步造成室内温度随室外温度的变化而相应变化。结果表明，在图５ 中的４７ｈ 内，室外温度在－５．８～３．８℃范围内波动，而安装了热管换热器后的ＩＤＣ 机房室内温度最高不超过２２℃，在１２．８～２１．９℃范围内变化，室内外温差不超过２０℃，维持在１５．１～１９．１℃范围内，而２００７ ＡＳＨＲＡＥ Ｈａｎｄｂｏｏｋ 推荐的温度范围为６５～８０°Ｆ（即１８．３～２６．７℃）。因此，使用热管换热器完全可以满足冬季工况下ＩＤＣ 机房的散热需求，而无需开启空调。
同时需要指出的是，利用自然冷源的热管换热器，其耗能部件仅为风机，功率不大，约为６０ Ｗ，在试验过程中，热管换热器一直处于开启状态，因此其４８ｈ的总能耗约为２８８０Ｗｈ，而４８ｈ内空调器的总能耗，如前节２．２所述，约为７０００ Ｗｈ。比较发现，热管换热器的能耗约为空调器能耗的４１％，可以节省约５９％的空调能耗，也远小于其自身的实际散热量。如果选择低能耗的风机，同等风量下，使其额定功率低于６０ Ｗ，则可进一步降低热管换热器的能耗。另外，对于空调器而言，由于安装了自动控制系统，因此空调器可以根据室内温度间歇工作，而试验用热管换热器没有安装自动控制系统，因此无法根据室内温度高低自动启停，在试验过程中，一直处于开启状态。如果热管换热器安装了自动控制系统，可以根据室内温度的高低自动启停，那么热管换热器实际运行时间将会缩短，能耗也会降低。同时，由于热管换热器一直处于开启状态，使得ＩＤＣ 机房的室内温度可以达到１２．８℃ 的较低温度，远低于ＩＤＣ 机房室内温度要求的上限值，因此如果将热管换热器停止运行的温度设定为高于１２．８℃，设定为２２℃，则可以大大减少热管换热器的工作时间，从而有效降低热管换热器的能耗。如此一来，热管换热器的能耗占空调能耗的比例将大大低于４１％，完全可以控制在１／３左右，可以节省２／３的空调能耗。而只要室外温度低于室内温度，且室内外温差大于热管换热器的启动温差，热管换热器均可正常工作。根据ＤｅＳＴ 软件气象资料统计，北京地区全年气温低于２５℃且满足室内外温差大于３℃的小时数约为５２４４ｈ，约占全年时间的６０％。如果在这段时间内热管换热器正常工作，可以满足散热需求，同时经过改进，热管换热器的能耗为空调能耗的１／３，那么，全年总能耗将为原来能耗的６０％，全年节能达到４０％。
２．４ 空调室内设定温度
面对ＩＤＣ 机房较高的能耗，将空调的设定温度提高，在同等其他条件下，理论上可以降低空调的能耗，ＡＳＨＡＲＥ 也因此推荐将入口空气温度标准提高到８０°Ｆ（约２７℃）。通过对北京地区的模拟分析，可以得到设定温度提高１℃，空调能耗降低２％ ～３％。因此，针对２６℃和２７℃不同的设定温度，对空调的散热特性和能耗进行了试验，具体试验时间和空调能耗如表１所示。
表１ 空调设定温度、测试时间和总能耗
试验对上述２个不同的空调设定温度进行了研究，试验过程中各自的室内外温度如图６ 所示。从图中可以看出，室内温度与空调设定温度一致，基本恒定，而室外温度由于受天气影响出现不同程度的波动。同时由于气象变化，２ 个试验时间段内的室外温度不尽相同，前一时间段内室外温度在０℃上下波动，而后一时间段内室外温度均在０℃以上波动。
图６IDC机房中室内外温度
不同的设定温度，同等条件下，空调器的能耗也不同。图７给出了２６℃和２７℃不同设定温度下，空调器的逐时功率变化规律。可以看出，随着空调器的启停，其功率呈逐时波状变化。对不同设定温度下，空调器的逐时功率进行统计计算，可以得到各自４６ｈ内的总能耗，具体数值见表１。
图7 空调逐时功率
从表１ 中可以看出，４６ｈ 内空调的总能耗在８０００～９０００ Ｗｈ 范围内，平均１ｄ 能耗约为４～５ｋＷｈ。同时，随着空调设定温度的提高，４６ｈ内空调的总能耗出现了小幅度的增长，从２６℃ 到２７℃，设定温度提高１℃，空调总能耗增加了１．８３％。原因在于，不同设定温度下的天气条件不同，虽然试验为持续测试，但室外气温并非同等条件，室外温度越高，通过ＩＤＣ 机房围护结构的散热量越少，在总散热负荷一定的情况下，空调的散热负荷越大，而此时虽然提高了空调的设定温度，一定程度上降低了空调的负荷，但对空调而言，其所承担的总体散热负荷仍然是增大的，因此带来了空调总能耗的小幅增长。从中也可以看出，室外温度对空调能耗的影响大于室内设定温度对空调能耗的影响。
２．５ 室外温度与空调能耗
通过上述分析，可以看出室外气温的变化对空调能耗负荷的影响超过了空调设定温度对于空调能耗负荷的影响，而室外气温对空调能耗的影响究竟有多大，通过下面的分析，可以得到一个量化结果。图８给出了在２００９ 年１１ 月１５ 日至２００９ 年１１ 月１７日和２００９年１１月１７日至２００９年１１月１９日这２个连续时间段内４６ｈ 内的室外温度变化，空调的设定温度均为２５℃。
图８ 不同设定温度下的室外温度
从图８中可以看出，在第３０ｈ之后，２００９年１１月１５日—１７日的室外温度与２００９年１１月１７日—１９日的室外温度基本相同，而在前３０ｈ 内，前者的室外温度均低于后者的室外温度。分析可以得到，２００９年１１月１５日—１７日这一时间段内ＩＤＣ 机房围护结构的散热量高于２００９年１１月１７日—１９日这一时间段，从而造成前者的空调能耗低于后者的空调能耗。通过对上述２个时间段内空调器逐时能耗统计计算，可以得到二者的空调总能耗依次为６８３６．０６ Ｗｈ、７６３４．９３７ Ｗｈ，空调总能耗增幅达到１１．７％。另外，从图８中可以看到，２００９年１１月１５日—１７ 日这一时间段内平均室外温度约为－０．１℃，而２００９年１１月１７日—１９日这一时间段内平均室外温度为１．６℃，二者相差不到２℃，平均计算可以得到，室外温度提高１℃，空调总能耗增加５％～６％。
3 结论
为保证ＩＤＣ 机房对温度、湿度和洁净度的特殊要求，机房空调系统全年能耗很大，约占机房总能耗的４０％。在ＩＤＣ 机房的整体节能管理方案中，使用热管换热器利用自然冷源为ＩＤＣ 机房散热，能够有效减少空调的工作时间，同时可以避免室内外空气接触，满足洁净度的要求。以北京某实际ＩＤＣ 机房为参考，按一定比例搭建试验机房，分析ＩＤＣ 机房中热管换热器和空调的散热特性和能耗负荷，研究围护结构散热特性，得到如下结论：
１）在北京地区冬季工况下，仅仅依靠围护结构的散热，ＩＤＣ 机房室内温度超过３０℃，室内外温差高达３０℃ 以上，无法满足ＩＤＣ 机房的散热需求，必须额外添置制冷散热设备。
２）机房围护结构的散热量随气温波动而变化，约占ＩＤＣ 机房总散热量的１９．５％；空调器逐时功率呈波状起伏，平均每天耗能为３．５～４ｋＷｈ。
３）ＩＤＣ 机房使用热管换热器后，模拟研究全年节能约４７％，试验表明室内温度不超过２２℃，室内外温差不超过２０℃，无需开启空调器，能耗仅为空调能耗的４１％，通过技术改进可以控制在１／３ 左右，则全年将节能４０％，既能够满足散热需求，又能够有效降低空调能耗。
４）与室内设定温度相比，室外气温对空调能耗的影响较大；室内设定温度相同，室外温度提高２℃，空调总能耗增加约１１．７％，平均每提高１℃，空调总能耗增加５％～６％。
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本文标题：IDC机房用热管换热器节能特性试验研究
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